Performance Analysis for Bandwidth Allocation in IEEE 802.16 Broadband Wireless Networks using BMAP Queueing

This paper presents a performance analysis for the bandwidth allocation in IEEE 802.16 broadband wireless access (BWA) networks considering the packet-level quality-of-service (QoS) constraints. Adaptive Modulation and Coding (AMC) rate based on IEEE 802.16 standard is used to adjust the transmission rate adaptively in each frame time according to channel quality in order to obtain multiuser diversity gain. To model the arrival process and the traffic source we use the Batch Markov Arrival Process (BMAP), which enables more realistic and more accurate traffic modelling. We determine analytically different performance parameters, such as average queue length, packet dropping probability, queue throughput and average packet delay. Finally, the analytical results are validated numerically.Comment: 16 page

Priority-Based Resource Allocation for Downlink OFDMA Systems Supporting RT and NRT Traffics

Efficient radio resource management is essential in Quality-of-Service (QoS) provisioning for wireless communication networks. In this paper, we propose a novel priority-based packet scheduling algorithm for downlink OFDMA systems. The proposed algorithm is designed to support heterogeneous applications consisting of both real-time (RT) and non-real-time (NRT) traffics with the objective to increase the spectrum efficiency while satisfying diverse QoS requirements. It tightly couples the subchannel allocation and packet scheduling together through an integrated cross-layer approach in which each packet is assigned a priority value based on both the instantaneous channel conditions as well as the QoS constraints. An efficient suboptimal heuristic algorithm is proposed to reduce the computational complexity with marginal performance degradation compared to the optimal solution. Simulation results show that the proposed algorithm can significantly improve the system performance in terms of high spectral efficiency and low outage probability compared to conventional packet scheduling algorithms, thus is very suitable for the downlink of current OFDMA systems

Channel Aware Uplink Scheduler for a Mobile Subscriber Station of IEEE 802.16e

The scheduling part of the IEEE 802.16 (WiMAX) standards is kept as an open issue to provide differentiation among equipment manufacturers and operators. The uplink scheduling is very significant and more complex compared to downlink scheduling. Uplink scheduling is divided into two parts; one is scheduling the resources among many users from a base station (BS) and the other is sharing the resources among its services in a single user. BS uplink scheduling has been given more attention compared to subscriber station (SS) uplink scheduling. SS scheduler plays a significant role in providing the quality of service (QoS) among its services. The channel status awareness is vital in designing the SS scheduler as the channel conditions vary for a mobile user. This work proposes a scheduling algorithm for SS, which utilizes the channel information and queue length variation for the reallocation of received aggregated bandwidth grant to optimize the QoS parameters. The performance of the proposed algorithm is studied by conducting simulations using QualNet 5.0.2 simulation tool. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm to improve the QoS

A Survey on Scheduling in IEEE 802.16 Mesh Mode

Cataloged from PDF version of article.IEEE 802.16 standard (also known as WiMAX) defines the wireless broadband network technology which aims to solve the so called last mile problem via providing high bandwidth Internet even to the rural areas for which the cable deployment is very costly. The standard mainly focuses on the MAC and PHY layer issues, supporting two transmission modes: PMP (Point-to-Multipoint) and mesh modes. Mesh mode is an optional mode developed as an extension to PMP mode and it has the advantage of having an improving performance as more subscribers are added to the system using multi-hop routes. In 802.16 MAC protocol, mesh mode slot allocation and reservation mechanisms are left open which makes this topic a hot research area. Hence, the focus of this survey will mostly be on the mesh mode, and the proposed scheduling algorithms and performance evaluation methods

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission